Wasserstoff im Verbrennungsmotor: So will Toyota dekarbonisieren

Laut Toyota sei bei der Dekarbonisierung die Energiequelle entscheidend, nicht der Antriebsstrang: Neben E-Autos entwickelt man auch solche mit H2-Verbrennern.

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Toyota Yaris H2

Toyota hat Anfang Dezember einen Rallye-Yaris mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor vorgestellt. Der Hersteller will sein Engagement in diesem Bereich ausdrücklich nicht auf den Motorsport beschränken.

(Bild: Toyota)

Von
  • Christoph M. Schwarzer

Akio Toyoda, Präsident des weltgrößten Autokonzerns Toyota, hat Mitte Dezember 2021 angekündigt, 30 batterieelektrische Modelle zu bauen. 16 davon brachte er als Prototypen mit. Das Ziel: Im Jahr 2030 sollen statt ursprünglich geplanten zwei nun 3,5 Millionen Elektroautos verkauft werden. Das würde nach heutigen Zahlen ungefähr einem Drittel des Absatzes entsprechen.

In der anschließenden Pressekonferenz sagt Toyoda aber einen Satz, der entscheidend für das Verständnis der Dekarbonisierungs-Strategie von Toyota ist: Um CO2-Neutralität im Auto zu erreichen, sei die Energiequelle entscheidend, nicht der Antriebsstrang. So erklärt sich, dass Toyota einerseits batterieelektrische Fahrzeuge anbieten wird. Andererseits produziert Toyota aber auch brennstoffzellenelektrische Autos und treibt darüber hinaus sogar die Entwicklung des Verbrennungsmotors mit Wasserstoff als Kraftstoff voran. Kann es irgendeinen Sinn ergeben, Wasserstoff in einer Hubkolbenmaschine zu verwenden?

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Knapp zwei Wochen vor der Modelloffensive bei den Elektroautos hatte Toyota einen Rallye-Yaris mit einem wasserstoffbetriebenen Dreizylinder-Turbomotor präsentiert. Dieser ist dem im serienmäßigen Toyota GR Yaris ähnlich, hat aber ein modifiziertes Einspritzsystem und die Tankanlage der brennstoffzellenelektrischen Limousine Toyota Mirai (Test). Man habe, so Akio Toyoda, den ersten Schritt getan, um "unseren wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotor konkurrenzfähig zu machen und stetig weiterzuentwickeln". In zehn Jahren würden die Dinge ein wenig anders aussehen, fügt er kryptisch hinzu.

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Diese Initiative erscheint zuerst absurd. Wenn man davon ausgeht, dass Strom aus erneuerbaren Energien – und den müsste man einsetzen, um CO₂-neutralen Wasserstoff zu produzieren – ein knappes Gut ist, wird er am effizientesten in einem batterieelektrischen Auto eingesetzt. Genau dieser Grundannahme der Limitierung aber folgt Toyota nicht.

Langfristig, und so plant der japanische Konzern gern, könnte es gelingen, weltweit einen Überschuss an elektrischer Energie und folglich an Wasserstoff zu schaffen. Das gilt besonders für Standorte, an denen viel Wind weht oder viel Sonne scheint und wo im Vergleich zu Deutschland geringe Steuern und Abgaben gezahlt werden müssen. Sehr preisgünstig hergestellter, CO₂-neutraler Wasserstoff ist jedenfalls die Voraussetzung, um überhaupt über den Einsatz im Verbrennungsmotor spekulieren zu können.

Die Wasserstoff-Zukunft

Aber welche Vor- und Nachteile hat ein solcher Verbrennungsmotor? Wir sprachen mit Prof. Dr-Ing. Stefan Pischinger vom Institut für Thermodynamik an der RWTH Aachen, um diese Frage zu klären. Wasserstoff enthält keinen Kohlenstoff und verbrennt daher CO₂-frei. Der Plan der vollständigen Dekarbonisierung wäre also erfüllt. Als direkte Emissionen entstehen Wasser und Stickoxide (NOx). Diese können wie im Ottomotor üblich über einen Drei-Wege-Katalysator, aber auch über die vom Selbstzünder bekannten SCR-Katalysatoren aufgespalten werden.

Wasserstoff benötigt ein anderes stöchiometrisches Luftverhältnis als Benzin. Das Verhältnis von Luft- zu Kraftstoffmasse, das gebraucht wird, um den Kraftstoff zumindest theoretisch vollständig zu verbrennen (Lambda 1) beträgt bei Wasserstoff 34 zu 1 statt 14,7 zu 1 bei Benzin. Zu berücksichtigen ist bei der idealisierten Betrachtung einer vollständigen Verbrennung, bei der alle Sauerstoffatome mit einem Brennstoff-Molekül reagieren, dass dies in der Praxis mit Wasserstoff leichter gelingt als mit Kraftstoff. Denn mit H2 lässt sich einfacher eine tatsächlich homogene Gemischbildung hinbekommen als mit Benzin oder Diesel.

Wasserstoff im Toyota Verbrennungsmotor (5 Bilder)

Toyota hat im Dezember in einem Rallye-Yaris einen mit Wasserstoff betriebenen Dreizylinder-Turbomotor vorgestellt. Man wolle diesen Antrieb konkurrenzfähig machen, so Firmenchef Toyoda. Wasserstoff verbrennt CO₂-frei und CO₂-neutral, wenn er mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt wurde.

"Grundsätzlich steigt der Wirkungsgrad, je magerer man den Motor betreibt", erklärt Pischinger, "dann gehen auch die Rohemissionen der Stickoxide stark zurück". Ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor ließe sich sogar bei Lambda 3 problemlos betreiben, sagt der Wissenschaftler. Die RWTH Aachen forscht selbst an dieser Technik. Ein Entwicklungsziel ist es, den Wirkungsgrad auf über 45 Prozent zu steigern, um letztlich mit der Brennstoffzelle konkurrieren zu können.

"Wasserstoff hat eine extrem hohe Brenngeschwindigkeit und benötigt eine geringe Zündenergie. Das Gas brennt auch bei hohem Luftüberschuss homogen", erklärt Pischinger. Die ideale Homogenisierung sei die Basis für niedrige Stickoxidrohemissionen. "Bevorzugt würden wir den Wasserstoff schnell und mit viel Druck einblasen", sagt der Forscher. Zwar müssten diverse Komponenten wie z. B. die Kurbelgehäuseentlüftung angepasst werden. In der geringen Notwendigkeit der Anpassung gegenüber heutigen Otto- oder Dieselmotoren liegt zugleich die Chance von Wasserstoff als Kraftstoff. Die Fertigungsstraßen können mit kleinen Modifikationen angepasst werden, und die Kosten sind leicht kalkulierbar.

Mehr Details zu den H2-Verbrennungsabläufen im Dieselmotor

"Ich bin mir sicher, dass wir CO₂-neutralen Wasserstoff in Zukunft sowohl in der Brennstoffzelle als auch in Verbrennungsmotoren sehen werden", sagt Pischinger und ergänzt: "Aus meiner Sicht ergibt der Einsatz im Verbrennungsmotor, insbesondere bei konstant hohen Leistungsanforderungen Sinn. Zum Beispiel in Baumaschinen oder landwirtschaftlichen Fahrzeugen, die nicht an die Straße gebunden sind, wie etwa einem Mähdrescher."

Eine Schwäche von wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren ist, dass die Leistung im angestrebten Magerbereich geringer ist. Das kann wie im Fall des von Toyota gezeigten GR Yaris durch höhere Aufladung kompensiert werden – oder durch die Hybridisierung, die der japanische Konzern ohnehin perfektioniert hat. Was als Problem bleibt, sind die Kosten und das Bauvolumen der Tanks; diese Herausforderung besteht jedoch auch für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen.

Kommen wir zurück zum Ausgangspunkt der Überlegungen bei Toyota: Um CO₂-Neutralität im Auto zu erreichen, sei die Energiequelle entscheidend, nicht der Antriebsstrang ("Achieving carbon neutrality depends on the energy the car uses, not on the powertrain").

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Für 2021 hat die AG Energiebilanzen in Deutschland einen Anteil von 16,1 Prozent aus erneuerbaren Energien berechnet. Hierbei bezieht die Arbeitsgemeinschaft nicht nur den Strom (dort nach Energy Charts: 45,8 Prozent aus EE), sondern den gesamten Energiebedarf der Republik ein. Angesichts des viel zu langsamen Ausbautempos von Fotovoltaik- und Windkraftanlagen ist offensichtlich, dass Deutschland auch auf Importe angewiesen sein wird. Falls diese Importe CO₂-neutral in Ländern produziert werden, in denen die Kosten sehr niedrig sind, könnten sie sich für den Einsatz lohnen und Teil der Dekarbonisierung sein. Nur unter dieser Voraussetzung sind wasserstoffbetriebene Verbrennungsmotoren vorstellbar.

(fpi)